Bài giảng Nối đất trong trạm biến áp - Phạm Quốc Thái

Nối đất trong trạm biến áp. 
Tài liệu hướng dẫn 
Dành cho công nhân kỹ thuật 
Và kỹ sư mới ra trường. 
Phạm Quốc Thái biên soạn. 
Mục lục 
Tổng quan về hệ thống nối đất. 
Nối đất trong mạng hạ áp. 
Các kiểu nối đất 
So sánh các kiểu nối đất 
Hệ thống nối đất trung áp. 
Các kiểu nối đất. 
So sánh các kiểu nối đất 
Phương pháp nối đất 
Các vấn đề về nối đất. 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤTTrung tính trong hệ thống điện 
Hệ thống điện ba pha bao gồm 3 điện áp được đo giữa các pha với nhau, và một điểm chung gọi là điểm “trung tính”. 
Thông thường, điểm trung tính là điểm chung của hệ thống 3 pha nối hình sao. 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤTĐặc điểm của điểm trung tính 
Điểm trung tính có thể hiện hữu hoặc cũng có thể không. 
Điểm trung tính có thể được nối đất, nhưng cũng có thể không. 
Điểm trung tính có thể nối đất trực tiếp hay nối đất qua một điện trở hoặc điện kháng 
 Nếu điểm trung tính không nối với điểm đất nào, người ta gọi là hệ thống cách đất. 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤTVai trò của hệ thống nối đất 
Khi cách điện của hệ thống có sự cố, hoặc khi có một pha chạm đất, các giá trị dòng điện ngắn mạch, điện áp tiếp xúc, và quá điện áp phụ thuộc nhiều vào phương thức nối đất. 
Kiểu nối đất trực tiếp giảm được quá điện áp, nhưng lại làm tăng dòng điện chạm đất. 
Trung tính cách đất giảm dòng chạm đất nhưng lại tăng nguy cơ quá điện áp. 
Khả năng vận hành liên tục khi chạm đất phụ thuộc trực tiếp vào hệ thống nối đất. 
Trung tính cách đất: cho phép vận hành liên tục ngay cả khi có một pha chạm đất. 
Trung tính nối đất trực tiếp hay nối đất qua trở kháng nhỏ: cắt mạch ngay từ lần chạm đất đầu tiên. 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NỐI ĐẤTTác động của việc nối đất 
Việc phát triển sự cố tại một số thiết bị như động cơ, máy phát điện, mức độ gây hỏng cách điện cũng tùy thuộc vào hệ thống nối đất. 
Trong hệ thống trung tính nối đất thiết bị điện bị ảnh hưởng của việc chạm đất nhiều hơn và gây hư hỏng nặng nề hơn, vì dòng điện chạm đất lớn hơn. 
Trong hệ thống trung tính cách đất hoặc trung tính nối đất qua tổng trở, các hư hỏng này giảm thấp, nhưng thiết bị phải có cấp điện áp phù hợp với khả năng xảy ra quá áp của loại lưới này. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất 
Các kiểu nối đất được quy định bởi tiêu chuẩn IEC 60364-3. Có 3 loại hệ thống: IT, TT và TN. 
Chữ cái thứ nhất xác định điểm trung tính có được nối đất hay không. 
T Trung tính nối đất trực tiếp 
I Không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở lớn (thí dụ 2.000 Ω) 
Chữ cái thứ nhì xác định những phần dẫn điện hở của hệ thống nối với đất thế nào: 
T Các phần dẫn điện hở được nối trực tiếp với đất. 
N Các phần dẫn điện hở được nối trực tiếp với dây trung tính. 
Phần dẫn điện hở : là các phần có thể dẫn điện mà con người có thể nhìn thấy và tiếp xúc được. Thí dụ như sườn máy, vỏ tủ điện... 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Kiểu I T 
Hệ thống không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở cao. 
Chữ cái đầu tiên I 
Trung tính không nối đất hoặc nối đất qua tổng trở cao 
(Thường là một trở kháng khoảng 1700 Ω). 
Chữ cái thứ nhì “ T 
Các phần dẫn điện hở của tải được nối xuống đất. 
Các nhóm tải ở xa có thể được nối đất riêng rẽ. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Đặc điểm của kiểu I T 
– Khi có sự cố chạm đất hai điểm sẽ được bảo vệ bằng các thiết bị bảo vệ ngắn mạch pha – pha (máy cắt, cầu chì...) 
– Nếu dòng sự cố chưa đủ lớn để thiết bị bảo vệ ngắn mạch pha – pha tác động, có thể bảo vệ bằng dòng thứ tự không (đặc biệt là với những tải ở xa). 
– Không khuyến khích sử dụng dây trung tính. 
– Bắt buộc phải có bộ giới hạn quá áp đặt giữa trung tính máy biến áp và đất. Bộ phận này dẫn các quá điện áp nội bộ xuống đất, bảo vệ mạng hạ áp không bị quá điện áp khi có phóng điện giữa cuộn dây hạ áp của máy biến áp 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Kiểu T T 
Hệ thống trung tính nối đất trực tiếp. 
Chữ cái đầu tiên T 
Trung tính được nối đất trực tiếp 
Chữ cái thứ nhì T 
Các phần dẫn điện hở của tải được nối liên kết với nhau. 
Mỗi nhóm nối liên kết phải nối xuống đất. 
Các nhóm tải ở xa có thể được nối đất riêng rẽ. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Đặc điểm của kiểu T T 
– Bắt buộc phải có thiết bị bảo vệ dòng thứ tự không. 
– Tất cả các phần dẫn điện hở đuợc bảo vệ bằng cùng thiết bị thì phải cùng nối đất cùng một điểm. 
– Đất của dây trung tính và đất của các phần dẫn điện hở có thể nối chung với nhau, hoặc không nối chung. 
– Có thể sử dụng dây trung tính hoặc không sử dụng. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Kiểu T N 
TN Hệ thống nối đất trực tiếp, 
phần dẫn điện hở nối trung tính. 
Chữ cái đầu tiên T 
Trung tính được nối đất trực tiếp 
Chữ cái thứ nhì N 
Các phần dẫn điện hở của tải được nối với dây trung tính. 
Có hai loại hệ thống: 
TNC: Dây trung tính và dây bảo vệ kết hợp với nhau. 
TNS: Dây trung tính và dây nối đất bảo vệ riêng rẽ. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Kiểu T N C 
Dây trung tính và dây nối đất bảo vệ kết hợp với nhau thành 1 dây gọi là PEN. 
Được định danh bằng chữ cái thứ ba C và gọi là hệ thống TNC. 
Phải nối đất lặp lại phân bố đều dọc theo dây PEN để tránh điện áp cao trên các phần dẫn điện hở trong trường hợp có chạm đất. 
Không được sử dụng với dây dẫn đồng có thiết diện dưới 10mm2 hoặc dây dẫn nhôm dưới 16 mm2. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPCác kiểu nối đất – Kiểu T N S 
Dây trung tính và dây nối dất bảo vệ riêng biệt. 
Được định danh bằng chữ cái thứ ba S và gọi là TNS. 
Phải nối đất lặp lại phân bố đều dọc theo dây dẫn PE để tránh điện áp cao xuất hiện trên các phần dẫn điện hở khi có sự cố. 
Không được dùng phía thượng nguồn hệ thống TNC. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT MẠNG HẠ ÁPĐặc điểm của kiểu nối đất T N C và T N S 
– Tác động cắt mạch khi có sự cố nhờ vào thiết bị bảo vệ ngắn mạch pha – pha như máy cắt, cầu chì... 
Lưu ý: 
Cả 2 hệ TNS và TNC có thể được sử dụng trong cùng một công trình. 
Hệ thống TNC (4 dây) không bao giờ được nằm phía hạ nguồn của hệ thống TNS (5 dây). 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu I T. 
Yêu cầu về bảo vệ: 
Nối các phần dẫn điện hở với nhau và nối đất. 
Phải có thiết bị chỉ báo chạm đất lần đầu bằng 1 thiết bị kiểm soát cách điện thường xuyên. 
Cắt mạch khi có sự cố điểm thứ 2 bằng thiết bị bảo vệ quá dòng (máy cắt hoặc cầu chì...). 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu I T 
Ưu điểm: 
Cho phép vận hành liên tục. 
Khi cách điện bị hư hỏng, dòng chạm đất nhỏ. 
Nhược điểm : 
Cần nhân viên bảo trì giám sát hệ thống. 
Cần có cấp cách điện cao hơn cho các thiết bị trong hệ thống. 
Lưới có thể bị rã khi sự cố lan truyền, 
Tải có dòng rò lớn phải dùng máy biến áp cách ly. 
Phải kiểm tra phần cắt mạch khi sự cố kép. 
Phải có thiết bị giới hạn quá áp. 
Các phần dẫn điện hở của tất cả các thiết bị phải đẳng áp. Nếu không đạt được, bắt buộc phải có thiết bị bảo vệ dòng thứ tự không. 
Tránh không sử dụng đường dây trung tính. 
Khó định vị sự cố trong các lưới rộng. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu T T. 
Yêu cầu về bảo vệ: 
Nối đất phần dẫn điện hở của các thiết bị phải kết hợp với thiết bị bảo vệ dòng thứ tự không. (ít nhất ở 1 phía của thiết bị) 
Các thiết bị được bảo vệ với cùng rơ-le bảo vệ dòng thứ tự không phải có các phần dẫn điện hở nối vào cùng điểm nối đất. 
Các thiết bị làm việc đồng thời phải có các phần dẫn điện hở nối vào cùng điểm nối đất. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu T T 
Ưu điểm: 
Hệ thống đơn giản nhất, dễ thiết kế, vận hành và bảo trì. 
Không đòi hỏi giám sát cách điện thường trực. Chỉ cần kiểm tra định kỳ các thiết bị bảo vệ dòng thứ tự không. 
Các thiết bị dòng thứ tự không sẽ giúp tránh được nguy cơ hỏa hoạn nếu độ nhạy của nó dưới hoặc bằng 500 mA. 
Dễ định vị sự cố. 
Khi có sự cố cách điện, dòng chạm đất nhỏ. 
Nhược điểm: 
Cắt mạch ngay khi có sự cố lần đầu. 
Phải dùng thiết bị bảo vệ dòng thứ tự không trên mỗi đường cung cấp để bảo đảm tính chọn lọc. 
Phải có đo đạc đặc biết đối với các tải có thể gây dòng rò lớn khi vận hành để tránh cho rơ le dòng thứ tự không tác động sai. 
Cấp cho các tải này qua biến áp cách ly hoặc dùng rơ le dòng thứ tự không có ngưỡng cao hơn. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu T N. 
Yêu cầu về bảo vệ: 
Bắt buộc phải nối chung và nối các phần dẫn điện hở với dây nối đất bảo vệ. 
Cắt mạch khi có sự cố lần đầu tiên bằng thiết bị bảo vệ quá dòng (máy cắt hoặc cầu chì...). 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT HẠ ÁPHệ thống nối đất kiểu T N 
Ưu điểm: 
Hệ thống TNC có giá thành thấp hơn, tiết kiệm được 1 dây dẫn và 1 cực của máy cắt. 
Có thể sử dụng các thiết bị bảo vệ quá dòng để bảo vệ. 
Nhược điểm: 
Cắt mạch ngay khi có sự cố đầu tiên. 
Hệ thống không mềm dẻo. 
Cần phải nối đất lặp lại phân bố đều dọc theo đường dây bảo vệ. 
Phải kiểm tra phần cắt mạch khi sự cố. 
Dây bảo vệ và dây mang tải trong cùng một mạch phải đi cùng đường dẫn. 
Luôn đòi hỏi đẳng áp trên dây bảo vệ. 
Cần phải tính toán họa tần 3 và họa tần bội 3 trong các bảo vệ đối với hệ TNC. 
nguy cơ gây hỏa hoạn khi chạm đất cao. 
Dòng chạm đất cao, có thể gây hư hỏng cho thiết bị và gây nhiễu điện từ. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPCác kiểu nối đất: Nối đất trực tiếp. 
Nối đất trực tiếp : 
Dây trung tính và đất được nối với nhau. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPCác kiểu nối đất: Không nối đất. 
Không nối đất : 
Không có dây nối giữa trung tính và đất ngoại trừ các thiết bị đo lường và bảo vệ. 
Nối đất qua tổng trở cao : 
Một trở kháng cao được nối giữa điểm trung tính và đất. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPCác kiểu nối đất: Nối đất qua điện trở. 
Nối đất qua điện trở : 
Một điện trở được chèn vào giữa điểm trung tính và đất. 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPCác kiểu nối đất: Nối đất trực tiếp. 
Nối đất qua điện kháng: 
Một điện kháng được chèn vào giữa điểm trung tính và đất 
HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPCác kiểu nối đất: Nối đất qua cuộn dây Petersen. 
Nối đất qua cuộn dây Petersen 
Một cuộn cảm L cộng hưởng với điện dung của hệ thống được đặt giữa điểm trung tính và đất sao cho nếu có sự cố chạm đất xảy ra, dòng chạm đất gần bằng 0. 
I f =I L +I C 
I f : Dòng sự cố 
I L : Dòng qua cuộn cảm trung tính 
I C : Dòng qua điện dung pha – đất 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPHệ thống nối đất trực tiếp. 
Yêu cầu về bảo vệ : 
Phải cắt mạch ra ngay khi có sự cố đầu tiên. 
Ưu điểm: 
Giảm được nguy cơ quá điện áp. 
Cho phép sử dụng các thiết bị có cấp cách điện bằng điện áp pha. 
Nhược điểm: 
Cắt mạch ngay khi sự cố lần đầu. 
Dòng chạm đất rất cao, dẫn đến hư hỏng nặng và gây nhiễu điện từ. 
Nguy cơ cho con người cao, điện áp tiếp xúc cao. 
Cần phải có thiết bị bảo vệ so lệch để nhanh chóng loại bỏ sự cố. 
Hệ thống đắt tiền. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPHệ thống không nối đất. 
Yêu cầu đối với bảo vệ: 
Không cắt mạch ngay khi sự cố cách điện đầu tiên. 
Có biện pháp giám sát cách điện liên tục. 
Có thiết bị chỉ thị chạm đất lần đầu tiên. 
Phải định vị và xóa sự cố đầu tiên. 
Phải cắt mạch khi có sự cố chạm đất lần thứ 2 (sự cố kép). 
Ưu điểm: 
Cho phép vận hành liên tục khi chạm đất lần đầu vì không có dòng chạm đất lớn. 
Nhược điểm: 
Có thể gây nguy hiểm cho người và thiết bị khi có chạm đất lần đầu. 
Cách điện của các thiết bị phải có cấp tương đương điện áp pha – pha. 
Nguy cơ quá điện áp nội bộ. 
Nguy cơ cộng hưởng sắt từ. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPHệ thống nối đất qua điện trở. 
Yêu cầu đối với bảo vệ: 
Cắt mạch ngay khi có sự cố đầu tiên. 
Ưu điểm: 
Giới hạn dòng điện chạm đất (giảm hư hỏng và nhiễu). 
Giảm bớt được quá điện áp. 
Dễ lựa chọn thiết bị bảo vệ. 
Nhược điểm: 
Cắt mạch ngay từ lần sự cố đầu tiên. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPHệ thống nối đất qua điện cảm. 
Yêu cầu đối với bảo vệ: 
Cắt mạch ngay từ lần sỰ cố đầu tiên. 
Ưu điểm: 
Giới hạn được dòng sự cố. (giảm được hư hỏng và nhiễu loạn). 
Cho phép lựa chọn các bảo vệ đơn giản nếu IL >>IC. 
Cuộn dây có điện trở thuần thấp, nên phát nhiệt ít. 
Nhược điểm: 
Có thể gây quá điện áp tại thời điểm chạm đất. 
Cắt mạch ngay từ lần sự cố đầu tiên. 
SO SÁNH CÁC HỆ THỐNG NỐI ĐẤT TRUNG ÁPHệ thống nối đất qua cuộn dây Petersen 
Yêu cầu đối với bảo vệ: 
Không cắt mạch khi có sự cố chạm đất đầu tiên. 
Ưu điểm: 
Nếu 3L 0 C 0 ω 2 =1 dòng điện chạm đất bằng 0. 
Tự xóa những sự cố thoáng qua. 
Hệ thống tiếp tục vận hành khi sự cố chạm đất lâu dài, và sẽ cắt khi có điểm sự cố thứ hai. 
Sự cố đầu tiên phát hiện được bằng cách đo lường dòng điện qua cuộn dây. Cuộn dây được thiết kế để có thể vận hành với dòng điện đó lâu dài. 
Nhược điểm: 
Khó đạt điều kiện 3L 0 C 0 ω 2 =1 vì không xác định chính xác được C của lưới. 
Trong thời điểm sự cố, có dòng điện thứ tự không trong lưới. 
Nguy cơ quá điện áp khi có sự cố cao. 
Khó khăn trong việc lựa chon cài đặt bảo vệ. 
Nguy cơ cộng hưởng sắt từ. 
MẠCH NỐI ĐẤT TRUNG ÁP Nối đất qua điện trở 
Một điện trở được chen vào giữa điểm trung tính và điểm nối đất, 
có thể trực tiếp 
có thể qua một máy biến áp một pha 
Hệ thống này có thể được áp dụng với 
những máy biến áp nối hình sao, và có dây trung tính sẵn có. 
máy phát điện với dây trung tính sẵn có. 
MẠCH NỐI ĐẤT TRUNG ÁP Nối đất qua trung tính giả 
Khi không có sẵn dây trung tính (thí dụ như mạch điện nối tam giác) hệ thống sẽ được nối đất bằng cách tự tạo ra một trung tính giả. 
Ngoài ra cũng có thể dùng một biến áp nối đất. 
Trung tính giả cũng được dùng nếu có nhiều nguồn nối song song với nhau. 
Có nhiều cách để tạo ra trung tính giả 
MẠCH TẠO TRUNG TÍNH GIẢ  Dùng máy biến áp nối sao / tam giác 
Sử dụng máy biến áp nối sao / tam giác. 
Một điện trở giới hạn dòng nối giữa trung tính này với đất. Mạch tam giác tự nó khép kín. 
Cuộn dây tam giác có tác dụng cân bằng dòng và áp 3 pha. 
MẠCH TẠO TRUNG TÍNH GIẢ  Dùng máy biến áp nối sao / tam giác hở. 
Sử dụng máy biến áp nối sao / tam giác hở. 
Trung tính phía trung áp nối đất trực tiếp. 
Một điện trở giới hạn dòng nối khép kín mạch tam giác. 
Kinh tế hơn mạch sao, tam giác, vì điện trở nằm phía hạ áp 
MẠCH TẠO TRUNG TÍNH GIẢ  Dùng máy biến áp nối zic-zac 
Sử dụng máy biến áp nối zic-zac. 
Một điện trở giới hạn dòng nối giữa trung tính này với đất. 
Mạch Zic-zac tự nó làm cân bằng dòng và áp 3 pha. 
MẠCH TẠO TRUNG TÍNH GIẢ  Dùng máy biến áp nối đất. 
Sử dụng máy biến áp nối sao /sao / tam giác hở. 
Một điện trở giới hạn dòng nối khép kín mạch tam giác. 
Cuộn thứ cấp nối sao khác mang tải như một nguồn phụ trung áp / hạ áp 
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NỐI ĐẤT  Các máy biến áp song song. 
Trường hợp 1 : mỗi máy biến áp có các điện trở nối đất không tách rời được. 
Dòng điện chạm đất thay đổi tùy theo số lượng máy biến áp đang vận hành. 
Gây khó khăn cho việc cài đặt các trị số ngưỡng tác động của các thiết bị bảo vệ chạm đất. 
Cần phải có thêm các bảo vệ chạm đất định hướng để định vị sự cố. 
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NỐI ĐẤT  Các máy biến áp nối song song. 
Trường hợp 2 : mỗi máy biến áp có một điện trở nối đất có thể tách rời được. 
Các thiết bị đóng cắt sẽ giúp trong thanh cái chỉ có 1 điểm nối đất cho dù có bao nhiêu thiết bị đang vận hành trên thanh cái. 
Hệ thống bảo vệ sẽ phức tạp vì có nhiều lựa chọn logic, số lượng các thiết bị đóng cắt và trạng thái của nó cùng với tình trạng của các thiết bị bảo vệ. 
Ít được dùng trong thực tế. 
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NỐI ĐẤT Các máy biến áp nối song song 
Trường hợp 3 : không biến áp nào có điện trở nối đất. 
Cần tạo ra một trung tính giả trên thanh cái chính. 
Loại bỏ được vấn đề trong trường hợp 1 và 2. 
Dòng chạm đất không thay đổi theo số lượng máy biến áp vận hành, 
mạch bảo vệ đơn giản hơn vì không cần thiết phải bảo vệ chạm đất định hướng hoặc các thiết bị phân tích logic. 
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NỐI ĐẤT Các máy biến áp nối song song trên 2 thanh cái 
2 thanh cái trong trạm có thể không nối với nhau tùy thuộc vào chế độ vận hành của trạm. 
Do đó cần phải lắp đặt các hệ trung tính giả độc lập cho mỗi thanh cái. 
Khi 2 thanh cái kêt nối với nhau, chỉ nối một mạch trung tính giả vào vận hành, do đó dòng điện chạm đất không bị tăng gấp đôi. 
Cần có một hệ điều khiển logic để đưa 1 trong 2 trung tính giả ra khỏi vận hành khi máy cắt kết nối thanh cái đóng. 
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ NỐI ĐẤT Các máy nối song song trên 2 thanh cái